华北平原是我国重要的粮食产区，有限的水资源量和大量灌溉用水导致水资源供需矛盾突出。气候变化倍受人们关注，定量把握水分及碳循环的特点是水资源合理配置和CO₂减排的基础。陆气间的水分-能量-碳通量交换是该地区农田生态系统中生态水文的主导过程。因此，本论文从通量观测入手，分析通量交换过程的内在机理，并以此建立农田生态水文模型，用于生态水文过程的重建和预测。论文以位山引黄灌区作为典型区域，并选择典型农田开展了以“水分-能量-碳”通量为核心的农田生态水文过程观测。不同仪器测量结果的对比表明，通量观测具有较高精度。数据分析表明，蒸散发（ET）年际变异性的主导因素是平衡蒸发，而季节变化的主导因素有平衡蒸发和冠层导度。小麦和玉米生长盛期内，潜热通量占净辐射的比例分别为83%和57%，这一比例的全年平均值为59%。生态系统呼吸(R_eco)对温度的响应以及净生态系统交换量（NEE）对太阳辐射的响应均表现出与作物物候密切相关的季节变化特点。R_eco的季节变化主要与总初级生产力（GPP）及气温相关，而R_eco和GPP的年际变化主要受温度控制。全年来看，该农田为较强的碳汇；考虑作物收割所引起的CO₂释放后，可转变成弱碳源。基于陆面过程模型SiB2构建了田间尺度水文强化陆面过程模型（HELP）。将HELP与作物生长模型耦合，构建了田间尺度生态水文模型（HELP-C），实现了对作物生长过程的模拟。验证表明，HELP和HELP-C是水分、能量、碳通量模拟的有效工具。将分布式水文模型与HELP（或HELP-C）耦合，构建了灌区尺度分布式生态水文模型。基于遥感归一化植被指数，该模型可用于灌区过去水分及碳循环过程的模拟；基于未来气候情景，模型可用于预测灌区未来水分及碳循环的可能变化。针对1984²006年的模拟结果表明，尽管位山灌区降雨的年际变异性较大，但因灌溉的保障，ET的年际变异性较小，且无显著的长期变化趋势。小麦和玉米生长季内，多年平均ET分别为284和314mm，分别占降雨和灌溉总水量的99%和71%。灌区农田年净初级生产力（NPP）、土壤呼吸（Rs）及NEE均无显著的长期变化趋势，但净生物群系生产量显著升高，且小麦NPP显著增长，玉米NPP显著下降。基于未来气候情景的预测结果表明，未来50年内，在充分灌溉条件下，小麦和玉米的ET将分别下降10%和7%，但灌溉需水量变化分别是+1%和-22%；NPP分别上升11%和3%，但Rs变化较小；小麦和玉米产量变化分别为+21%和-3%。